JPS5857718B2 - 複合燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は燃料棒を装荷した開放格子形の核燃料集合体
、特に異径燃料棒を有する核燃料集合体に関するもので
ある。

原子炉は、ガス状又は液体の冷却４７÷が貫流する容器
内に入った複数の核燃料集合体で構成される炉心を含む
のが代表的である。

冷却材は燃料集合体の内部及び周囲を流れる際に熱の形
でエネルギを取り去る。

特に、水のような液体冷却材を循環させる加圧木彫原子
炉では、沸騰状態に到るのは望ましくナク、従って、原
子炉の炉心は、゛核沸騰遷移熱流束”（ＤＮＢ）と通常
言われている状態を防止するように設計されている。

燃料棒に沿って蒸発気が存在していると、発熱中の燃料
棒は周囲の冷却材への熱伝達を防害されるので、過熱に
よる燃料棒損傷の可能性がある。

従って、ＤＮＢに関連した安全限界が冷却材最高温度の
上限を定め、従って原子炉総効率を制限する。

これ等の問題は、製造に一層費用が掛かり、しかも一般
に使われているウラン燃料と比較して先天的に中性子吸
収断面積及び減速材温度係数の大きい混合酸化物又はプ
ルトニウム燃料を望んで使用することによって、更に複
雑になる。

また、冷却材は炉心を上方へ貫流する時に徐々に加温さ
れその密度が次第に変わるので、炉心の上部における減
速は底部と比較して次第により小さくなる。

その結果、制御上及び設計上の融通性がより悪くなる。

主にＤＮＢ作用に応じて、これ等の制限を軽減しようと
する解決法には、炉心の水対燃料比を増大することと、
単位長さ当りの発生エネルギの少ない小断面積の炉心全
長にわたる燃料棒を使用することとがある。

しかし、これ等の解決法は、過大な製造コスト及び大形
炉心といつだその他の要因のため複雑である。

また、冷却材の喪失を生じさせる原子炉冷却材系の破断
が万−起こった場合に応動する冗長安全系を含む原子炉
構造は、炉心領域へ冷却材を注入し、この冷却材が炉心
の底部から頂部へ向かって拡がる。

この状態に応じる炉心設計とする場合に融通性を増すこ
とは有利である。

従って、この発明の主な目的は、温度及び効率の制限を
緩和すると共に混合酸化物燃料の使用に合う核燃料集合
体を提供することである。

上記目的からこの発明は、垂直に配向した複合燃料集合
体の入った炉心を上方へ貫流する液体冷却材を有する熱
中性子炉で使用する複合燃料集合体であって、密封被覆
に入った核分裂可能の核燃料を有すると共に太体規即正
しい格子状に配列された複数の細長い核燃料棒構造と、
個々のセル中で前記燃料棒構造を横方向から支持するた
めに予め選択した種々の高さ位置で前記燃料棒構造の回
りに配置さｆ′した複数の格子構造とを備える複合燃料
集合体において、前記燃料棒構造は互いから軸方向に所
定距離能れた上部狽吸び下部側燃料棒束を有し、前記下
部側燃料棒束中には前記上部側燃料棒束のものより直径
の大きい少数の燃料棒が存在し、下部側燃料棒束の格子
構造はその周囲が上部側燃料棒束と大体同じ大きさに作
られていることを特徴としている。

この複合燃料集合体は、底部側の燃料棒での混合酸化物
燃料の使用、頂部側燃料棒でのウラン燃料の使用に有利
に適応できる。

この構造では、上部側及び下部側の燃料棒間にできる好
ましいスペースが尖鋭な出力ピークを軽減するので、プ
ルトニウム及びウラン燃料間の境界で出力ピークが生じ
ない。

冷却材が炉心を上方へ貫流する代表的原子炉においては
、冷却材は、燃料棒の単位長さ当たりの発生エネルギ量
が少ない複合燃料集合体の上部部分における小径燃料棒
に達する時には、すでに高温である。

これは、沸騰の危険やもっと効率的な系の必要無しに炉
心からの冷却材放出温度をより高くする。

また、個々の上部側及び下部側燃料棒の相対的横断面寸
法は、冷却材温度の変化に伴なう減速の変化に応じて設
計者の指示通りに変更可能である。

更に、大概の燃料棒の上部部分にはプレナムが造られて
いて、原子炉運転中に放出されるガス状の核分裂生成物
を収容するのが典型的である。

上部側燃料棒における発生率が低いために、この上部プ
レナムは以前の燃料棒と比較して小さい寸法にすること
ができる。

また、もつと活発な下部側燃料棒にもプレナムが用意さ
れているが、このプレナムは炉心の中心における中性子
束ピーキングを減じるために下部側燃料棒の底部に位置
付けられている。

更に、二種の燃料棒整列体間の領域での減速を制限する
ために、中性子吸収物質を下部側燃料棒の頂部と上部側
燃料棒の底部とに置いてもよい。

この発明は添付図面に一例としてたけで示す好適な実施
例に関する以下の説明から一層容易に明らかとなろう。

第１図を参照すると、この発明による複合燃料集合体１
０を用いる加圧水彩原子炉が一例として図示されている
。

この原子炉は、直円筒形状に近くなるよう配列された燃
料集合体１０からなる炉心１２を有する。

燃料集合体１０は容器１４内で上部炉心板１６と下部炉
心板１８との間に支持されており、双方の炉心板は穿孔
されていて伶却材流の貫流を可能にしている。

水のような液体であるのが好ましい原子炉の冷却材流体
は、入口２０から容器１４内に入り、環状部２２を下方
へ通り抜け、プレナム２４で転向して、炉心１２を上方
へ通り抜ける。

種々の同様の原子炉形状では、冷却材は炉心の下方から
容器１４内に入り上方へ通過する。

冷却材は燃料集合体１０の内部及び周囲を質流する時に
エネルギを吸収し、出口２６を通って容器１４から排出
され、究極的には例えは発電のための装置（図示しない
）にエネルギを放出する。

炉心１２内で発生する出力は、冷却材と一緒に流れるホ
ウ素のような中性子吸収材と共に、中性子吸収用制御要
素２８を使用するような公知の種々の方法で制御できる
。

この発明によれば制御要素２８は頂部に設けられていて
１．駆動装置３０により燃料集合体１０の内部又は周囲
で往復移動して位置決め可能である。

炉心及び燃料集合体の構造は多数あるが、この発明は、
冷却材が大体上向きに貫流する垂直配置の細長い燃料集
合体を有する熱中性子炉において特に有益である。

この発明による好ましい燃料集合体１０を第２図に示す
。

この燃料集合体は、規即正しく好ましくは矩形の列に配
列された複数の上部側燃料棒４０と複数の下部側燃料棒
４２とを含む。

燃料棒４０．４２は円筒形が好ましく、また、上部側燃
料棒４０は下部側燃料棒４２より小径である。

従って、上部側燃料棒の数は下部側燃料棒の数より多い
。

各燃料棒４０．４２は密閉した金属被覆４４を有し、そ
の中に、円筒形ペレット４６であることが好ましい核分
裂性燃料が入っている。

この燃料は、濃縮ウランのように当該技術で周知の種々
のものでよく、そして、一つの実施例では有利な例とし
て、上部側燃料棒４０に濃縮ウランが下部側燃料棒４２
にプルトニウム燃料が入っている。

異なる濃縮度を採用できるが、例えば上部側及び下部側
燃料棒の双方が同じ濃縮度のウランを含む場合、各燃料
棒の単位長さ当たりに発生ずる出力は下部側燃料棒４２
の上が上部側燃料棒４０より大きい。

従って、燃料集合体１０の内部及び周囲を上向きに流れ
る冷却材は燃料集合体の下部部分で最初に加熱され、更
に上部部分でより高い、温度に加熱される。

しかし、核沸騰遷移熱流束（１）ＮＢ）の問題は軽減さ
れ、また、例えばＫＷ／ｆｔの単位で測定した上部側燃
料棒の単位長さ当たりのエネルギ出力が低い結果として
炉心から出る冷却材温度を高くすることができる。

第１表は、長さ約１．８３ ｍ （６ｆｔ ）の上部側
燃料棒４０及び同じく長さ約１．８３ ｍ （６ｆｔ）
の下部側燃料棒４２に濃縮ウラン燃料を使うこの発明の
燃料集合体を加圧水湿原子炉の炉心で利用して生じた代
表的な諸パラメータを示す。

比較のための基準は１５行Ｘ１５列の整列体において長
さ３．４ｍ（１２ｆｔ）の燃料棒を有する燃料集合体の
炉心であり、この炉心を、１５行Ｘ１５列の整列体にお
ける下部側燃料棒４２と、２０行Ｘ２０列及び３０行Ｘ
３０列の整列体における上部側燃料棒４０とを有する複
合燃料集合体と比較している。

第１表から分かるように、上部側燃料棒の数が多い場合
、冷却材の温度上昇が増す。

また、燃料棒の数は、燃料集合体１０の組立て及び後述
する案内筒のような付加的構成要素の加入の結果として
、完全整列体のそれよりも少ない。

例えば、１５行Ｘ１５列の完全整列体は２２５本の燃料
棒を有するが、２０４本の燃料棒だけが利用されており
、残りの位置は案内筒が占めている。

燃料棒４０．４２の他に、燃料集合体１０は案内筒５２
に取り付けられた頂部ノズル４８及び底部ノズル５０を
有しており、負荷伝達骨格ユニットを形成する。

案内筒５２は単に、燃料集合体の支持か、燃料集合体内
外への制御要素棒５４（第１図及び第６図）の案内か、
或は他の炉心構成要素の位置決めのために使用できる。

大体゛卵詰め枠″のように形成した上部及び下部の格子
構造５．６ 、５７を各選択位置で案内筒５２に取り付
ける。

第３図〜第５図に最もよく示すように、格子構造５６，
５７は各俸又は案内筒を囲むセル５８を形成する。

燃料棒４０．４２のセル５８は棒の軸方向の膨張を許す
と同時に横方向の支持を行なう。

格子構造５６．５７は、代表的に斥す流れ混合羽根５９
及びばね作用の支持体６１の他に、棒の整列体の回りに
囲繞境界を形成する外側帯材６０と、一緒になって個々
のセル５８を形成する内側帯材６２とを有する。

外側帯材６０で定められる上部及び下部格子構造５６．
５７の外囲寸法は同一である。

格子構造５６．５７は異なる直径の燃料棒４０゜４２の
支持体となるだけでなく、実施例においては一様で、好
ましくは円形横断面の案内筒５２に取り付けることので
きるセル５８ａ、５８ｂｔｍるように配列されていなけ
ればならない。

上部及び下部格子構造のセルは寸法が異なるから、案内
筒取付けの対策をしておかなければならない。

従って、下部側燃料棒４２は、下部格子構造５７のセル
５８及び５８ａが全て同一寸法であるように、同一横断
面を有することが好ましい。

しかし、上部格子構造５６のセル５８には、案内筒５２
を受容し且つ上部側燃料棒４０の支持用セル５８と比較
し大きいセル５８ｂが含まれる。

第３図に示すように、例示した複合燃料集合体１０の場
合、各セル５８ｂは上部格子構造の燃料棒を受容する四
つのセルの組合せとなっている。

変形例では、案内筒５２も下部側燃料棒４２より大きく
できるから、燃料棒４２を受は容れるセルより大きいセ
ルを下部格子構造５７にも造る。

また、第３図及び第４図を比較して分かるように、案内
筒を受は容れるセル５８ｂは下部格子構造５７のセル５
８より太きい。

格子構造はセル内の案内筒に取り付けるので、案内筒を
上部及び下部格子構造の双方に取り付ける手段を設けね
ばならない。

かかる取付けのための手段を第６図に示す。

ここで、設けられたスリーブ６４は、符号６６で示す例
えば四つの位置でろう付け、溶接その他の方法により上
部格子構造５６のセル５８ｂの帯材に取り付けられてい
る。

案内筒の整列を維持するように、スリーブ６４の内径は
下部格子構造のセル５８．５８ａの横断平面寸法と同じ
にすることができる。

この場合、案内筒は下部格子構造の帯材にろう付けする
か或はその他の方法で直接に取り付けることができる。

代りに、内側帯材６２と案内筒外周との間に太きなろう
付は部６６ａ（第３図）、溶接部、又はその他の取付は
部を造ってスリーブ６４の使用を取り止めることができ
る。

また、案内筒は取付けのためスリーブ６４の上方及び下
方で膨出又は拡張することができる。

或は、セル５８ｂは案内筒を取り付ける突張り６８を備
えることができる。

更に、案内筒５２ｃｊ下部側燃料棒４２、従って下部格
子構造のセルより小さく、且つ上部格子構造の大きなセ
ル５８ｂよりも小さい横断面を有しつる。

この構造の場合、スリーブ６４を一つ一つ、上部及び下
部格子構造のセルの双方に嵌入できるが、ここで該スリ
ーブは案内筒受容のため同一の内径を有し、また個々の
スリーブは上部格子構造のセル５８ｂ及び下部格子構造
のセル５８ａのそれぞれの大きさに適合する異なる外径
を有する。

更に、第７図に示すように、案内筒５２は、その孔５３
が制御要素棒５４の通過を許容するに足るだけ全長にわ
たって大きい限りにおいて、長さに沿って異なる直径を
有しつる。

また、孔５３は、例えは上部で大きく下部で小さいとい
ったように、大きさが変ってもよく、これにより案内筒
５２の下部で制御要素棒５４に緩衝効果を付加的にもた
らすことができる。

大きさが変わる案内筒の外側横断面は、スリーブがあっ
てもなくても格子構造のセル内に最も一致して嵌合する
大きさにすることができる。

上部側燃料棒４０の底部と下部側燃料棒４２の頂部との
間にはスペース７０（第２図及び第５図）を設けること
が好ましい。

スペース７０は、特に混合酸化物燃料を使用する場合、
このスペースがないと上部側及び下部側燃料棒の境界で
生じるかも知れない出力分布の著しい変化を軽減できる
。

スペースは上部側及び下部側燃料棒の合計長さの約２％
より長くないことが好ましい。

スペースがあまり太きいと、炉心の中央に減速冷却材の
過剰領域ができ、望ましくない中性子束ピーキングを生
じさせる。

しかし、この作用は、過剰中性子を吸収する材料及び大
きさの燃料棒封止端栓を境界領域で組み付ける、即ちそ
こに取り付けることで打ち消すことができる。

また、この作用は、核分裂生成物ガスの生成を考慮して
、下部側燃料棒の底部及び上部燃料棒の頂部にプレナム
を置くことによっても打ち消すことができる。

上部燃料棒の燃料ペレットヲ支持するばねその他の支持
手段を使って燃料棒の下方プレナムを維持できる。

同様に、ペレットその他の形の減損燃料を上部側燃料棒
の底部及び下部側燃料棒の頂部に入れてもよく、或は不
活性のセラミックスペーサをこれ等の位置に設けてもよ
い。

上記スペーサの両端では、最下方の上部格子構造５６を
最上方の下部格子構造５７にそれ等の外側帯材６０を介
してしつかり取り付けるのが好ましい。

この取付けは、第５国に交互に示したように薄い板７２
又は大きい板７４を使用するなどの“種々の形で行ない
うる。

板７２，７４は燃料棒整列体の外側に配置されており、
そして代表的な格子構造に用いられているような流れ混
合羽根５９、支持はね６１及び流れ開口８０等を含む構
造を有しうる。

地震発生の場合に比較的大きな応力及び変形が生じる中
央領域で燃料集合体を強化するために、最下方の上部格
子構造は最上方の下部格子構造にしつかり固定されてい
る。

上部側及び下部側燃料棒の整列体間のスペース７０は、
プルトニウム燃料を下部側燃料棒で使用しウランを上部
側燃料棒で使用する場合、二種の燃料を均質混合物以外
で使う時に境界で発生する出力ピークを軽減する点で、
特に有効である。

更に、複合燃料集合体１０は混合酸化物燃料の使用に向
いている。

例えばウランとプルトニウム燃料の相対量は上部側燃料
棒４０及び下部側燃料棒４２の長さを変えることで調整
できる。

プルトニウムを有する下部側燃料棒を燃料集合体長さの
１／２〜２／３にわたって配置し、ウランを有する燃料
棒を燃料集合体長さの残りの１／２〜１／３にわたって
配置するのが好ましい。

例えばプルトニウム酸化物の形のプルトニウム燃料は、
遠隔製造ヲ要するプルトニウムの高い毒性のために、例
えば二酸化ウランのようなウランを製造する場合よりも
気になるほど高価につくので、この発明の複合燃料集合
体はプルトニウム使用の点では経済的に有利である。

プルトニウムを大径燃料棒に入れれば、一つの燃料集合
体当たりのプルトニウム装荷燃料棒の数が減少し、従っ
てコストが低下する。

また、炉心下方部分へのプルトニウムの配置は核制御特
性の点で有利である。

頂部に設けた制御要素（第１図に示す）の価直が弱めら
れている炉心の底部近くにプルトニウムを位置付けるこ
とによって、プルトニウムの大きな中性子捕獲断面積の
影響が低下する。

更に、冷却材が炉心１２に入るプルトニウム領域におい
て全負荷乃至無負荷の冷却材温度変動が少すくするので
、制御要求に関与するプルトニウムの反応度の高減速材
温度係数が減じる。

また、開示した複合燃料集合体は、炉心の冷却材が一時
的に放出される仮定上の事故状態下で応動する利点があ
る。

かかる事故状態の際、複数の冗長系が作動して原子炉容
器を底部から頂部まで再び満たす。

従って、活性の強い下方の燃料棒が活性の弱い上方の燃
料棒より早く冷却材に冠水し、長さに沿って本体一様な
炉心と比較して安全余裕を増す。

従って、前述した複合燃料集合体は原子炉冷却材の高温
度化及び原子炉プラントの高総効率化を達成する点で有
用である。

更に、この複合燃料集合体は混合酸化物燃料の使用に有
用であると同時に、全種類の炉心設計の際に融通性を増
すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る複合燃料集合体を含む原子炉の
立面断面図、第２図はこの発明による複合燃料集合体の
概略立面図、第３図はこの発明の一実施例による燃料集
合体上部格子構造の簡略化した平面図、第４図は第３図
の実施例と共用できる燃料集合体下部格子構造の簡略化
した平面図、第５図はこの発明の実施例による複合燃料
集合体中央部の斜視立面図、第６図はこの発明の実施例
による複合燃料集合体の一つのセルの斜視図、第７図は
この発明による燃料集合体案内筒の一例の斜視図である
。 図中、１０は複合燃料集合体、１２は炉心、４０は上部
側燃料棒、４２は下部側燃料棒、４４は密封被覆、４６
は核燃料、５６は上部格子構造、５７は下部格子構造、
５８，５８ａ及び５８ｂはセル、７０はスペース（軸方
向の所定距離）である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 垂直に配向した複合燃料集合体の入った炉心を上方
   へ貫流する液体冷却材を有する熱中性子炉で使用する複
   合燃料集合体であって、密封被覆に入った核分裂可能の
   核燃料を有すると共に大体規即正しい格子状に配列され
   た複数の細長い核燃料棒構造と、個々のセル中で前記燃
   料棒構造を横方向から支持するために予め選択した種々
   の高さ位置で前記燃料棒構造の回りに配置された複数の
   格子構造とを備乙る複合燃料集合体において、前記燃料
   棒構造は互いから軸方向に所定距離離れた上部側及び下
   部側燃料棒束を有し、前記下部側燃料棒束中には前記上
   部側燃料棒束のものより直径の大きい少数の燃料棒が存
   在し、下部側燃料棒束の格子構造はその周囲が上部側燃
   料棒束と大体同じ大きさに作られていることを特徴とす
   る複合燃料集合体。